Pretratamientos en una etapa, multietapa y proceso one-pot de madera de pino y eucalipto, basados en el empleo de líquidos iónicos apróticos, próticos y bioderivados

Resumen

La biomasa lignocelulósica requiere incluir una etapa de pretratamiento para romper los enlaces entre los compuestos que la constituyen. Los líquidos iónicos son una alternativa a los disolventes convencionales debido a su capacidad de solvatación, su naturaleza no volátil, su no inflamabilidad, su reciclabilidad y su facilidad de diseño atendiendo al uso que se les quiera dar. En los últimos años, se ha comprobado que algunos líquidos iónicos son capaces de romper la red de biomasa lignocelulósica, reduciendo la cristalinidad de la celulosa, incrementando la accesibilidad y favoreciendo la posterior sacarificación enzimática. En esta tesis doctoral se estudian distintos pretratamientos basados en la utilización de líquidos iónicos, con o sin autohidrólisis previa, para tratar madera de pino y eucalipto y seleccionar el proceso más efectivo de cara a la posterior etapa de hidrólisis enzimática. El procedimiento y los resultados derivados de la investigación se estructuran en tres bloques: pretratamientos en una etapa, pretratamientos multietapa y procesos ¿one-pot¿. Los pretratamientos en una etapa estudiados son la autohidrólisis y los pretratamientos con líquidos iónicos (por separado). Los procesos de autohidrólisis permiten extraer en torno al 70 por ciento de las hemicelulosas y, en el caso del eucalipto, se consiguen digestibilidades del sólido de hasta el 72 por ciento aunque con bajos rendimientos finales a glucosa (38 por ciento). En la madera de pino, se ha alcanzado una digestibilidad y rendimiento a glucosa final del 84 por ciento utilizando el líquido iónico aprótico acetato de 1-etil-3-metilimidazolio. Este valor es superior al conseguido con madera de eucalipto y fue el más alto de todos los obtenidos en esta tesis doctoral. Otro de los aspectos clave del empleo de los líquidos iónicos en el pretratamiento de biomasa es el estudio de su capacidad de reutilización. En este caso, se evalúa la capacidad de reciclado del líquido iónico cloruro de 1-alil-3-metilimidazolio, el cual se reutiliza hasta cinco veces analizando los cambios estructurales y de propiedades que experimenta a lo largo de los sucesivos ciclos. Por último, se propone aplicar técnicas de análisis de imagen digital basadas en el cálculo de la dimensión fractal, la lacunaridad y las relaciones de holocelulosa y lignina superficial para el estudio de la accesibilidad enzimática del sólido. Los pretratamientos multietapa de autohidrólisis+pretratamiento con líquido iónico evidencian las diferencias existentes entre ambas maderas. La etapa de autohidrólisis limita la eficacia de pretratamiento de madera de pino con el líquido iónico posterior. Sin embargo, la madera de eucalipto permite extraer hemicelulosas en la etapa de autohidrólisis y aumentar la digestibilidad del sólido pretratado tras la etapa de pretratamiento con líquido iónico, permitiendo así el fraccionamiento de la biomasa. En la madera de eucalipto se consiguió extraer mediante pretratamiento multietapa hemicelulosas y al mismo tiempo obtener digestibilidades del sólido del 84 por ciento, lo que supone un rendimiento a glucosa final del 69 por ciento. En el tercer bloque se evalúa un proceso en el que pretratamiento e hidrólisis enzimática se llevan a cabo en el mismo equipo, sin etapa de separación sólido-líquido intermedia y, por tanto, sin incluir una etapa de lavado del sólido. A este proceso se le conoce como ¿one-pot¿. Los resultados de este bloque han demostrado que se puede plantear un proceso ¿one-pot¿, utilizando el líquido iónico prótico acetato de 2-hidroxietilamonio. Este proceso, además de no necesitar la etapa de lavado, evita incluir una etapa de ajuste de pH normalmente requerida para operar en condiciones óptimas para las enzimas. Además, el proceso ¿one-pot¿ con el líquido iónico prótico acetato de 2-hidroxietilamonio resultó efectivo, obteniendo un rendimiento de glucosa final del 75 por ciento.